PID電池充電器控制器開源硬件

描述

介紹

可再生能源是滿足我們電力需求的實用且負擔得起的解決方案。通過增加可再生能源，我們可以減少空氣污染，減少全球變暖排放，創(chuàng)造新的就業(yè)機會和產業(yè)，使我們的電力供應多樣化，減少對煤炭和其他化石燃料的依賴，并使世界走向更清潔、更健康的能源未來。我們打算創(chuàng)建一個照明控制系統(tǒng)，使我們能夠節(jié)省能源。照明控制系統(tǒng)廣泛應用于商業(yè)、工業(yè)和住宅空間的室內和室外照明。照明控制系統(tǒng)用于在需要的時間和地點提供適量的光。

作為主要目標，我想到了三件事：

• 從正弦函數生成控制 PWM 信號。
• 從 PID 控制器生成控制 PWM 信號。
• 添加夜燈控制。

應用：我們家中、公司甚至公共道路上的“夜燈控制”或“路燈控制”。也可用于給3V、5V、12V電池充電。

STM32F407G-DISC1配置

• STM32F407VGT6 微控制器采用 LQFP100 封裝，具有 32 位 ARM? Cortex?-M4 和 FPU 內核、1 MB 閃存、192 KB RAM
• STM32F4DISCOVERY 上的板載 ST-LINK/V2 或 STM32F407G-DISC1 上的 ST-LINK/V2-A
• 具有重新枚舉功能和三個不同接口的 USB ST-LINK：調試端口、虛擬 Com 端口和大容量存儲。
• 電路板供電：通過USB總線或來自外部5 V電源電壓
• 外部應用電源：3 V和5 V
• LIS302DL 或 LIS3DSH ST MEMS 三軸加速度計
• MP45DT02 ST-MEMS音頻傳感器全向數字麥克風
• 具有集成 D 類揚聲器驅動器的 CS43L22 音頻 DAC
• 八個 LED
• 兩個按鈕（用戶和重置）

正如我們在示意圖中看到的，這個系統(tǒng)主要執(zhí)行兩個功能：首先它專門為電池充電，一旦充滿電，然后通過 LDR 光傳感器打開或關閉燈，如果它是晚上打開燈，如果是白天，則將其關閉。為了更好地描述這個項目，我把它分為以下幾個部分：

1.- 軟件安裝

2.- 電源

3.- 充電控制

4.- 負載控制

5.- 夜燈控制

6.- 從正弦函數生成控制 PWM 信號

7.- 從 PID 控制器生成控制 PWM 信號

8.- 電路板設計

9.- 組裝

10.- 測試

11.結論

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1.- 軟件安裝

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(Timing: 6 hrs)

我使用的是32位的Windows 10操作系統(tǒng)，軟件安裝如下：

a)我已經安裝了“GNAT Programming Studio”，我們可以從以下鏈接下載它：https ://www.adacore.com/download/more

在此鏈接中，我下載并安裝了以下兩個程序：

• gnat-gpl-2017-x86-windows-bin.exe
• gnat-gpl-2017-arm-elf-windows-bin.exe

b)我們要安裝STM32F407VG板的USB驅動，鏈接如下：https://www.st.com/en/development-tools/stsw-link009.html#getsoftware-scroll。我們在此站點上下載以下文件：“en.stsw-link009.zip”。連接設備后，我們會在“設備管理器”中驗證它是否已連接。

c)為了開發(fā)這個項目，我們使用“Ada Drivers Library”，我們可以從以下鏈接下載它：https ://github.com/AdaCore/Ada_Drivers_Library

為了設計我的項目，我使用了以下示例：“demo_timer_pwm”、“demo_adc_polling”和“demo_gpio_direct_leds”。您可以在此處找到的文件夾： https ://github.com/AdaCore/Ada_Drivers_Library/tree/master/arch/ARM/STM32/driver_demos

d) CircuitMaker是針對業(yè)余愛好者、黑客和創(chuàng)客社區(qū)的印刷電路板設計電子設計自動化軟件。您可以在以下位置下載安裝軟件：https ://circuitmaker.com/

e) Lowell Cady 的 PID示例是 PID（比例、積分、微分）控制的工作示例，您可以在此處下載：https ://www.codeproject.com/Articles/36459/PID-process-control-a -巡航控制示例

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2.- 電源

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(Timing: 2 hrs)

它是如何工作的？

a)開關電源提供 12 伏特直流、5 安培的穩(wěn)定電壓和 330 瓦的最大功率。使用此設備，我們會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，我們必須調整我們想要為電池充電的電壓負載并使用電位器 (R10)。我們可以在這里查閱國際標準：https ://standards.ieee.org/standard/765-2012.html

b)集成電路 LM317 用于通過電位器 R10 產生 3 至 12 伏的電壓調節(jié)。這個集成的技術規(guī)格說它不能產生低于 3 伏的電壓。在這個例子中，我調整了 5.6 伏。計算是：

在 LM317 的技術表中，我們找到以下公式：

Vout =Vref [1+(R2/R1)] +(iADJ)(R2)

例如，LM317 可以工作的最大電壓是 37 伏，如果在我們的圖表中我們將 R9 取為 240 歐姆，那么我們對 R10 進行計算。

Vout =Vref [1+(R10/R9)] +(iADJ)(R10)

我們考慮一個非常小的 iADJ 值，如果我們計算 R10，我們將有：

R10 = (R9/Vref) (Vout -Vref)

R10 = (R9/1, 2) (Vout - 1, 2)

R10 =(240/1, 2)(37-1, 2) = 7, 160 歐姆

對于實際用途，我們使用 10k 電位器。

c)齊納二極管 DZ 用作電壓調節(jié)器，在它的輸出端我獲得了 10.8 伏的最大值，這是我用電壓表測量的。

d)使用的保護裝置如下：保險絲 F1、電容器 C1 和二極管 D1。這些元件對于保護系統(tǒng)免受短路、放電、消除反向直流電流和過濾不需要的信號非常重要。

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3.- 充電控制

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(Timing: 3hrs)

它是如何工作的？

a)在該電路中以 Vcc 為單位測量的電壓，電壓表指示為 5、45 伏。在這個例子中，我使用了一個由四個 1、5 伏可充電電池組成的模塊。最大負載電壓為 5.6 伏。我用的是鎳氫電池，我們可以在這里找到國際標準：https ://www.mpoweruk.com/standards.htm

b) STM32F407VG 板生成的 PWM 信號將用于調節(jié)充電電池的負載。為了生成此 PWM 信號，我們采用“Ada 驅動程序庫”中的示例“demo_timer_pwm”并對其進行修改以獲得所需的 PWM 信號。例如，如果電池完全放電，則 PWM 信號具有較大的占空比。

c)晶體管 T1 用于物理分離 STM32F407VG 板和 M1 Mosfet。如果它們直接連接，那么這個設備就會損壞，因為 Mosfet 工作在非常高的負載下。電阻 R1 (1k) 必須取一個較低的值，以提高 PWM 信號的開關速度。

d)但是，在晶體管 T1 的輸出端，我們有一個 180 度的異相信號，為了調整這種情況，我們使用晶體管 T2，現(xiàn)在 PWM 信號是同相的。

e)為了將截止區(qū)和飽和區(qū)驅動到我們的 T1 和 T2 晶體管，我們做出以下考慮：

為了確定飽和電流，我們認為輸出柵極的發(fā)射極集電極電壓等于零。因此：

VCC=IC*RC+VCE | VCC=IC*RC+0

我C=VCC/RC

為了確定截止點，我們認為基極電流等于零，因此集電極電流等于零：

VCC=IC*RC+VCE | VCC=0*RC+VCE

VCE=VCC

f)使用的保護裝置如下：電容器 C1 和二極管 D2。二極管用于消除電池充滿電時的反向直流電流。如果這個二極管不存在，那么電池就會在晶體管 T1 和 T2 中感應出電壓。

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4.- 負載控制

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(Timing: 3 hrs)

它是如何工作的？

a) 10K 的電阻 R4 和 8K 的 R5 用作分壓器，用于使用我們的 STM32F407VG 板測量可充電電池的電量。8K 電阻是通過兩個串聯(lián)電阻實現(xiàn)的：4k7 + 3k3。VR5的值我們通過分壓器的計算得到它，這就是：VR5=(R5/(R4+R5))*VBattery)

b)當STM32F407VG板的PD12引腳up時，三極管T3驅動，異相180度。晶體管 T4 校正晶體管 T3 并使原始信號與 PD12 引腳同相。

c)為了將截止區(qū)和飽和區(qū)驅動到我們的 T3 和 T4 晶體管，我們做出以下考慮：

為了確定飽和電流，我們認為輸出柵極的發(fā)射極集電極電壓等于零。因此：IC=VCC/RC

為確定截止點，我們認為基極電流為零，因此集電極電流為零：VCE=VCC

d)當脈沖到達 IPT60R028G7 Mosfet 的“Gate”引腳時，“Source”和“Drain”之間的電路閉合，5 瓦燈點亮。當漏極和源極之間的電壓 (VDS) 超過稱為飽和電壓 (Vds sat) 的固定值時，該 MOSFET 晶體管進入飽和區(qū)。也就是說; 在以下情況下，MOSFET 將位于該區(qū)域：

VGS > Vt和VDS > (VGS – Vt)。

在 IPT60R028GT 的技術表中我們看到：

柵極閾值電壓

V(GS)th 最小值 = 3

V(GS)th 典型 = 3.5

V(GS)th 最大值 = 4 V

因此，我們需要 3 到 4 伏的“柵極”電壓才能將 Mosfet IPT60R028GT 置于飽和區(qū)。

e)使用的保護裝置如下：電容器 C2 和保險絲 F2。

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5.- 夜燈控制

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(Timing: 3 hrs)

它是如何工作的？

a)這個“夜燈控制”為我們服務，知道是白天還是晚上并激活燈。該電路由 STM32F407VG 板的 5 伏供電??。

b)為了控制照明，我們使用光敏電阻或 LDR 傳感器。光敏電阻由高電阻半導體制成。在黑暗中，光敏電阻的阻值可高達數兆歐 (MΩ)，而在光照下，它的阻值可低至數百歐姆。https://en.wikipedia.org/wiki/光敏電阻

c)當完全黑暗時，LDR 傳感器具有最大電阻（兆歐），T5 晶體管被極化并且在它的輸出端我們有最小電壓，在逆變器電路 (IC40106) 的輸出端我們有 5 伏。IC40106是觸發(fā)器施密特反相器電路。在下圖中我們可以了解到一個非反相電路是如何工作的，這有助于我們理解反相電路40106是如何工作的。當您想用非數字信號控制數字電路時，這些電路很有用。

40106 的 VT 和 VT- 值（所有值均以伏特為單位）

d)我們通過電路中所示的肖特基二極管將這個 5 伏特轉換為 3 伏特，并將該電壓施加到我們的 STM32F407VG 板的 PA0 引腳。

e)當光照最大時，則相反。LDR 傳感器具有最小電阻，T5 晶體管沒有極化，在它的輸出端我們有 5 伏的 Vcc，它通過 IC40106 逆變器電路的引腳 9 進入。最后我們有 0 伏，它被施加到 STM32F407VG 板的 PA0 引腳。

f)為了將截止區(qū)和飽和區(qū)驅動到我們的 T5 晶體管，我們做出以下考慮：

為了確定飽和電流，我們認為輸出柵極的發(fā)射極集電極電壓等于零。因此：IC=VCC/RC

為確定截止點，我們認為基極電流為零，因此集電極電流為零：VCE=VCC

g)在 STM32F407VG 板的 PA0 引腳上，當電壓為零時，紅色 LED 亮起，燈熄滅。當我們有 5 伏特時，綠色 LED 亮起，電燈亮起。

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6.- 從正弦函數生成控制 PWM 信號

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(Timing: 1day)

在這個板上，我們將生成 PWM 控制信號，激活負載，并監(jiān)控電池電壓和“夜燈控制”的狀態(tài)。我們還將使用它的 4 個 LED 作為我系統(tǒng)狀態(tài)的指示器。您可以在代碼部分找到該程序。項目庫：“帶夜燈控制的電池充電器”

它是如何工作的？

a)我們監(jiān)控 PA1 模擬端口上的電池電壓，其中我們的值從 0 到 4095 ADC。

b) PWM信號是在STM32F407VG板上通過Timer4的中斷和30kHz正弦函數的產生而產生的。在我們的代碼中，我們使用以下說明指示它：

Arg := Long_Float((Raw*5)/4095); -- 5 is an experimental value
Value := Percentage (50.0 * (1.0 +Sine (Arg))); -- duty cycle value
Power_Control.Set_Duty_Cycle (Value);-- PWM signal

我們將根據正弦函數逐漸調整占空比。

正弦函數使用以下代碼計算：

  function Sine (Input : Long_Float) return Long_Float;
  --  In this demonstration we roll our own approximation to the sine function
  --  so that it doesn't matter which runtime library is used.
  function Sine (Input : Long_Float) return Long_Float is
     Pi : constant Long_Float := 3.14159_26535_89793_23846;
     X  : constant Long_Float := Long_Float'Remainder (Input, Pi * 2.0);
     B  : constant Long_Float := 4.0 / Pi;
     C  : constant Long_Float := (-4.0) / (Pi * Pi);
     Y  : constant Long_Float := B * X + C * X * abs (X);
     P  : constant Long_Float := 0.225;
  begin
     return P * (Y * abs (Y) - Y) + Y;
  end Sine;

https://visualgdb.com/tutorials/arm/stm32/fpu/

此代碼生成我的項目所需的以下三個占空比，如下所示：

占空比是信號或系統(tǒng)處于活動狀態(tài)的一個周期的一部分。占空比通常表示為百分比或比率。周期是信號完成一個開關周期所花費的時間。作為一個公式，占空比 (%) 可以表示為：D= (PW/T)x100%

其中 D 是占空比，PW 是脈沖寬度，T 是信號的總周期。https://en.wikipedia.org/wiki/Duty_cycle

c) VR5的值我們通過分壓器的計算得到，即：VR5=(R5/(R4+R5))*VBattery)

d)如果電池電壓低于大約 4 伏，則紅色 LED 亮起，綠色和橙色 LED 熄滅。在本例中，我們的值小于 2457 ADC。

e)如果電池電壓超過約 5.4 伏，則橙色 LED 亮起，紅色 LED 熄滅。在此示例中，我們的值大于 3276 ADC。

f)如果 STM32F407VG 從 PA0 端口接收到脈沖，則綠色 LED 點亮表示現(xiàn)在是晚上，燈通過 PD12 引腳點亮。

g)如果電池電壓大約在 4 到 5.4 伏之間，橙色和紅色 LED 會亮起。在這個例子中，我們有從 2475 到 3275 ADC 的值。

         if Raw < 2457 then -- if the battery < 4 volts aprox
           Red_LED.Set; -- Red LED os ON
           Green_LED.Clear; -- Green LED is OFF
           Orange_LED.Clear; -- Orange LED is OFF
           delay until Clock + Milliseconds (2000); -- slow it down to ease reading
        elsif Raw >= 3276 then -- If the battery > 5,4 volts aprox
           Red_LED.Clear; -- Red LED is OFF
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is OFF
        elsif STM32.User_Button.Has_Been_Pressed then -- If PA0 is ON
           Green_LED.Set; -- Green LED is ON
        else -- If battery is between: 4 to 5,4 volts aprox
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is ON
           Red_LED.Set; -- Red LED is ON
        end if;

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7.- 從 PID 控制器生成控制 PWM 信號

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(Timing: 2days)

在此測試中，我們將使用不同的程序。您可以在代碼部分找到該程序。項目庫：“帶夜燈控制的 PID 電池充電器”

它是如何工作的？

a)如果我們想控制一個系統(tǒng)，最好的解決辦法是利用PID控制。PID 是一種控制回路反饋機制，廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)和各種其他需要連續(xù)調制控制的應用。PID 控制器連續(xù)計算誤差值作為所需設定點 (SP) 和測量過程變量 (PV) 之間的差異，并根據比例、積分和微分項（分別表示為 P、I 和 D）應用校正，由此得名。

在我的例子中，STM32F507 板生成一個 30 kHz 的 PWM 信號，控制數據為：dt = 0.0005，Kp = 0.025 和 Ki =0.025。您可能會注意到微分項非常小或為零。我的 PID 控制器的仿真如下：

https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

b)決定何時應用 PWM 控制信號的工作留給了 STM32F407 板。在我的示例中，該板執(zhí)行計算并生成 PWM 控制信號。使用我的 PICkit2 設備，我得到了以下 PWM 信號。

c)分壓器 VR5 向我們的端口 PA1 提供模擬值，并將其與“設定值”進行比較。“設定點”由代碼編程，我們進行了一個設定點測試：VBattery = 4.95 伏/VR5 = 2、2 伏/ADC = 3003 ADC。

  declare
     Value     : Percentage;
     Raw1      : Long_Float;
     setpoint  : constant := 3003.0; -- VR5 = 2.2 volts / Vbat = 4.95 volts 
     error     : Long_Float := 0.0;
     output    : Long_Float;
     integral  : Long_Float := 0.0;
     dt        : constant := 0.0005;
     Kp        : constant := 0.025;
     Ki        : constant := 0.025;

d)例如，如果電池放電，則程序會計算誤差，并生成一個具有高占空比的 PWM 信號。如果電池已充電，則程序會生成一個占空比較小的 PWM 信號。

 begin
        STM32.User_Button.Initialize; -- btn instruction
     loop
        Start_Conversion (Converter); --adc instruction
        Poll_For_Status (Converter, Regular_Channel_Conversion_Complete, Successful); --adc instruction
        Raw := UInt32 (Conversion_Value (Converter)); -- reading PA1
        Raw1 := Long_Float(Raw * 1);
        error := (setpoint - Raw1);
        integral := (integral + (error*dt));
        output := ((Kp*error) + (Ki*integral));
        Value := Percentage (output); -- duty cycle value
        if Value < 10 then -- if the duty cycle < 10%
           Power_Control.Set_Duty_Cycle (10);
           Red_LED.Set; -- Red LED os ON
           Green_LED.Clear; -- Green LED is OFF
           Orange_LED.Clear; -- Orange LED is OFF
           delay until Clock + Milliseconds (500); -- slow it down to ease reading                                    
        elsif Value >= 90 then -- If the duty cycle > 90%
           Power_Control.Set_Duty_Cycle (90);
           Red_LED.Clear; -- Red LED is OFF
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is OFF
        elsif STM32.User_Button.Has_Been_Pressed then -- If PA0 is ON
           Green_LED.Set; -- Green LED is ON
        else -- If the duty cycle is from: 10 - 90 %
           Power_Control.Set_Duty_Cycle (Value); -- PWM signal
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is ON
           Red_LED.Set; -- Red LED is ON
        end if;
        delay until Clock + Milliseconds (10); -- slow it down to ease reading
     end loop;

現(xiàn)在我們有了一個智能系統(tǒng)，它具有生成多個工作周期的優(yōu)勢，我們將更有效地利用能源。

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8.- 電路板設計

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(Timing: 2days)

原理圖電路是在CircuitMaker上制作的。您可以在自定義部件和外殼部分找到存儲庫。項目庫：“帶夜燈控制的 PID 電池充電器的電路板設計”

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9.- 組裝

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(Timing: 2 days)

接下來，我將向您展示一些裝配圖。

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10.- 測試

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(Timing: 1 day)

從正弦函數生成控制 PWM 信號：

這個例子不需要設置點，PWM 信號是自動生成的，正如我們在第 6 步中看到的那樣，其中只生成了三個占空比。

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從 PID 控制器生成控制 PWM 信號：

設定點：VBattery = 4.95 伏/VR5 = 2、2 伏/ADC = 3003 ADC。

我們可以理解，這里的 PID 控制器會生成許多占空比。

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11.- 結論

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• 首先，我的意圖是做一些有用的項目，可以為我們解決實際問題。我曾經問自己是否有可能構建一個智能家居電池充電器，并且我們可以通過它有效地利用能源。答案是肯定的，問題解決了，而且不用花很多錢。
• 軟件：在這個項目中，我學會了使用“GNAT Programming Studio”軟件，因為我習慣于使用 Python、Processing 和 C++，并且 AdaCore 的技術支持很好地建議我了解一些要點這種語言編程。
• 硬件：在這個項目中，我使用了不同的電子領域：a）微控制器（PWM 信號以及數字和模擬端口）；b) 電力電子設備（Mosfet、電池和燈）；c) 數字電子（IC Trigger Schmitt）；d) 傳感器（LDR）；e) 控制理論（PID 控制器）。
• 應用：雖然正弦函數生成三個非常有用的占空比，但系統(tǒng)使用 PID 控制器變得更加高效和實用，因為電池充電速度更快，使用壽命更長。夜燈的控制被用來激活一盞燈。這個項目可以作為我們未來開發(fā)“路燈控制”的一個例子，使用太陽能電池板或風能。

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